非结构化环境下柔性机器人随机碰撞动力学和控制方法研究

Flexible robot is key component of physical human robot interaction system. Collision detection failure, control default occur frequently during physical human robot interaction. The model error of robotic collision process caused by parameters uncertainties within unstructured environment is the main cause of the problem. It is of great theoretical significance to study the stochastic collision dynamics of flexible robots in unstructured environments for human-machine integration. The purpose of this project is to study the stochastic collision dynamics and intelligent control methods of multi-body flexible robots. Firstly, the uncertainty of parameters within unstructured environment is described as random parameters, and the influence of random parameters on the topological structure and dynamic characteristics of the collision process of flexible robot is studied, based on which the dynamic model of robot random collision is established. Then, the influence of random parameters on collision signals is analyzed, and the signal characteristics of random collision are extracted by using deep reinforcement learning network. After that, the intelligent control method of robotic random collision is designed. A hardware/software experimental platform is developed to experimentally verify the effectiveness of the dynamic model and the control method. The research results of this project will benefit the theoretical research of multi-body system dynamics and control, and provide theoretical basis for the design of human-computer physical interaction system.

柔性机器人是人机共融的关键部件，人机交互过程中常出现碰撞检测失效或控制违约等问题，非结构化环境中参数不确定性引起的柔性机器人碰撞过程建模误差是该问题产生的重要原因，开展非结构化环境下柔性机器人随机碰撞动力学研究，对实现人机共融具有重要的理论意义。本项目基于高端制造装备“十三五”规划要求，研究多柔体柔性机器人随机碰撞动力学及智能控制方法。首先，将非结构化环境中参数的不确定性描述成随机参数，研究随机参数对柔性机器人碰撞过程系统拓扑结构、动力学特性、碰撞能量/动量变化的影响机制，建立柔性机器人随机碰撞动力学模型。随后，拟分析随机参数对碰撞信号的影响，利用深度强化学习网络对随机碰撞的信号特征进行提取，设计柔性机器人随机碰撞智能控制方法。最后，拟开发硬/软件实验平台进行实验研究，验证动力学模型及控制方法的有效性。本项目的研究成果将促进多体动力学及控制的理论研究，为人机物理交互系统的设计提供理论依据。

本项目针对非结构化环境中参数不确定性引起的碰撞检测失效和控制失稳等问题，开展了非结构化环境下柔性机器人随机碰撞动力学和控制研究。将碰撞对象的刚度和阻尼作为不确定项，建立了含有碰撞对象参数不确定项的碰撞动过程模型，探讨了刚度和阻尼不确定对碰撞过程的影响，设计了柔性机器人碰撞的实验方案，通过观察柔性体碰撞过程的速度和受力变化过程，分析了刚度和阻尼变化产生的碰撞力变化。本项目已完成了如下研究：1）基于柔性多体动力学、冲量定理、赫兹模型建立了含有刚度、阻尼不确定项的随机碰撞动力学模型；2）设计了人机交互状态观测器，对人机接触、机物接触状态进行辨识；3）针对交互过程柔性机器人的振动问题设计了振动控制器。.项目执行三年以来，初步达到了预期的研究目标，共发表/录用SCI/EI期刊论文7篇，其中IEEE Transactions 系列1篇，申请发明专利2项，授权发明专利1项，培养硕士研究生8名。研究的实施为人机自然交互的实现提供了理论依据和参考数据，并促进了多体动力学及控制研究的发展。